電子技術基礎

1、 電子測量與儀器陳 尚 松桂林電子科技大學武昌理工學院 舒國強 改編1張永瑞等. 電子測量技術基礎.西安電子科技大學出版社，2006年12月第21印刷。2費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理(第2版).機械工業(yè)出版社，1996年。3劉文彥等.現(xiàn)代測試系統(tǒng).國防科技大學出版社.2000年。參考書目 第一章 緒 論 1:測量的重要意義,電子測量的內(nèi)容、特點和方法2:電子測量儀器的功能、分類和主要技術指標3:計量的概念、基準和量值傳遞4:電子測量儀器的發(fā)展概況內(nèi)容: 1.1 電子測量概述 1.2 電子測量儀器概述 1.3 計量的基本概念 1.4 電子測量儀器的發(fā)展概況 1.5 本課程任務目 錄1.1.1 測量

2、及其重要意義定性分析 定量研究，定量就需要進行測量。 測量的定義 是通過實驗方法對客觀事物取得定量數(shù)據(jù)的過程。 1.1電子測量概述通過大量的觀察和測量,人們逐步準確地認識各種客觀事物,建立起各種定理和定律。例如,牛頓的三大定律。測量的意義 是人類認識和改造世界的一種重要手段。對客觀事物的認識過程中，需要進行中國自古以來就重視測量:如我國度量衡的發(fā)展始于父系社會末期（例:商代牙尺）秦始皇統(tǒng)一度量衡制 春秋時期楚國的“木衡”，一斤 = 251.3克 （例:商鞅方升） 渾天儀和地動儀 漢代測量技術之高科技 張衡（78-139年），南陽人，東漢天文學家、數(shù)學家和文學家，任朝廷太史令。代表成果：兩儀兩賦

3、(東京賦和西京賦),天文著作有靈憲和靈憲圖等 。 渾天儀：由幾層銅制圓圈鑄成，上刻赤道，黃道，南北極，日月星辰，28宿及24節(jié)氣，由漏壺滴水為動力帶動齒輪永遠轉動，用以觀察日月星辰的變化(如圖所示）。 侯風地動儀： 形如酒壇，8個方向8條龍，龍嘴活動，各含小銅球，中央立有銅質(zhì)“都柱”，與各龍嘴相連，龍頭下各有一張嘴的銅蟾蜍。哪個方向發(fā)生地震，則“都柱”傾斜，相應龍嘴吐出銅球(如圖所示）。 生活中的例子重量，長度，溫度，濕度，三表（電，水，氣）汽車監(jiān)測點：50100 飛機監(jiān)測點：3000 航天飛行器監(jiān)測點：5000 沒有測量就沒有科學門捷列夫諾貝爾物理獎，化學獎中1/4屬于測試方法和測試儀器的創(chuàng)

4、新?！皟蓮椧恍恰钡某晒?，沒有測試儀器是不可能的。生產(chǎn)中“沒有測試，就沒有新產(chǎn)品”。大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)成本中，測量成本已超過50%。在各個歷史時期,測量水平的高低可以反映出一個國家科學技術發(fā)展的狀況。在當今信息時代 測量技術獲取信息通信技術傳遞信息 計算機技術處理信息被稱為信息社會三大支柱測量是信息的源頭技術 （測控技術，先要測，才能控）。提高測量水平，實現(xiàn)測量手段的現(xiàn)代化，是實現(xiàn)科學技術和生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要條件和明顯標志。 1.1.2 電子測量的任務與內(nèi)容 電子測量是泛指以電子技術為基本手段的一種測量技術。電子測量是測量領域的主要組成部分。(二次表) 電子測量儀器傳感器電 量非電量(一次表)電

5、子測量主要是運用電子科學的原理、方法和設備對各種電量、電信號及電路元器件的特性和參數(shù)進行測量,同時還可以通過傳感器把非電量轉換成電量來測量。其中,電量測量可分為以下幾個方面：1)電能量測量:通常,人們把電參數(shù)測量分為電磁測量和電子測量。電子測量是指以電子技術理論為依據(jù),以電子測量儀器和設備為手段,對電量或非電量進行測量。電磁測量主要是指交直流電量的指示測量法,比較測量法及磁量測量等。包括頻率、波形下的電壓、電流和功率等測量。因此.電子測量廣泛地應用于物理學、化學、光學、醫(yī)學、生產(chǎn)、交通、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領域。2)電信號特性測量:3)電路元件參數(shù)測量:4)電子設備的性能測量:在上述各項測量內(nèi)容中,尤

6、以頻率、時間、電壓、相位、阻抗等的測量更為重要。包括波形、頻率、周期、相位、失真度、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)及數(shù)字信號的邏輯狀態(tài)等的測量。電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì)因數(shù)及電子器件的參數(shù)等的測量。包括增益、衰減、靈敏度、頻率特性和噪聲指數(shù)等的測量。1.1.3 電子測量的特點1.測量頻率范圍寬: 10-6 Hz1012 Hz,2.測量量程寬:如功率10-14 W108 W,電阻310-5 3108 3.測量方便靈活: 各種電量之間轉換容易;各種非電量與電量之間轉換也很容易。4.測量速度快5.可以進行遙測6.易于實現(xiàn)測試智能化和測試自動化1.1.4 電子測量的方法1.按測量手段分類在測量過程中,能夠直接將

7、被測量與同類標準量進行比較,或者能夠直接用事先刻度好的測量儀器進行測量,直接獲得數(shù)值,這種測量方式稱為直接測量。當由于某種原因不能直接測量時,可以通過直接測量與被測量有一定函數(shù)關系的物理量,然后按函數(shù)關系計算出被測量的數(shù)值。1)直接測量:3)組合測量:2)間接測量:當某項測量結果需要用多個未知參數(shù)表達式時,可通過改變測量條件進行多次測量,根據(jù)函數(shù)關系列出方程組求解。2.按測量方法分類1)直接法:2)比較法:比較法中又分為微差法、零值法和替代法三種。零值法又稱平衡法:它是利用被測量和標準量對儀器的相互抵消作用,由指零儀表做出判斷的方法。如天平稱重。用直接指示被測量大小的指示儀表進行測量。如電壓表

8、。將被測量與標準量在比較儀器中直接比較,從而獲得被測量數(shù)值的方法。如電橋。微差法:替代法:通過測量被測量與標準量的差值或正比于該差值的量,根據(jù)標準量來確定被測量的數(shù)值的方法。是分別把被測量和標準量接入同一測量系統(tǒng),在用標準量替代被測量時,調(diào)節(jié)標準量,使系統(tǒng)的工作狀態(tài)在替代前后保持完全一致,然后根據(jù)標準量來確定被測量的數(shù)值的方法。特點：可有效地消除外界因素對測量結果的影響。3.按被測物理量時間特性分類1)靜態(tài)(直流)測試技術被測對象屬于直流(或緩變)性質(zhì)的靜態(tài)或準靜態(tài)信號,測量過程不受時間限制,測量原理、方法簡單。2)穩(wěn)態(tài)(交流)測試技術對于一個波形(幅度、頻率、相位)恒定不變的周期性交流信號,

9、可以看成一個穩(wěn)定狀態(tài)的信號,這種周期性的交流信號是電子測量的一個基本對象,通常稱為交流測量。3)動態(tài)(脈沖)測試技術對爆炸、沖擊、碰撞、充放電、閃電等,對這類瞬變的對象進行測量,稱為動態(tài)測試或瞬態(tài)測量。動態(tài)測量有兩種方式:一種是測量有源量,測量幅值隨時間呈非周期性變化的電信號;無論那一種,激勵與響應均是脈沖型的,故動態(tài)測量又叫脈沖測量。另一種是測量無源量,要用最典型的脈沖或階躍信號作為被測系統(tǒng)的激勵,觀察系統(tǒng)的輸出響應,即研究被測系統(tǒng)的瞬態(tài)特性。1.2.1 電子測量儀器的功能： 2.信號處理與傳輸功能：信號放大、衰減、模/數(shù)、抗干擾、壓縮、有線或無線傳輸3.顯示功能：指針在儀表度盤；數(shù)碼管、液

10、晶或陰極射線管顯示測量結果。1.轉換功能：電量(功率、電流、電阻)電壓；非電量電量（電壓） 此外，一些先進的儀器，如智能儀器等，還具有數(shù)據(jù)記錄、處理 及自檢、自校、報警提示等功能。1.2 電子測量儀器 利用電子技術實現(xiàn)測量的儀表設備，統(tǒng)稱為電子測量儀器。 1.2.2 電子測量儀器的分類 1.按照被測量的特性分類:電子測量儀器可分為以下幾類：電信號的“三域”： 調(diào)制域（調(diào)制域分析儀）ff0tf頻域（頻譜儀）f0utu時域（示波器）頻率頻域電壓時域時間調(diào)制域1)時域測試儀器用于測試電信號在時域的各種特性,如波形,電壓,電流,功率,頻率,周期,相位及時間間隔,脈沖占空比,上升沿,下降沿,上沖,失真度

11、,調(diào)制度等。2)頻域測試儀器用于測量信號的頻譜、功率譜、相位噪聲功率譜等。典型儀器有頻譜分析儀,信號分析儀等。3)調(diào)制域測試儀器調(diào)制域描述了信號的頻率、周期、時間間隔及相位隨時間變化的關系,如圖1.1所示。頻率頻域電壓時域時間調(diào)制域圖1.1 時域、頻域與調(diào)制域3 數(shù)據(jù)域測試儀器-它測試的不是電信號的特性,而是各種數(shù)據(jù),主要是二進制數(shù)據(jù)流 。邏輯分析儀 邏輯定時分析儀 邏輯狀態(tài)分析儀 1 0 1 1 0 0 1 0 1 4 隨機域測量儀器-對噪聲、干擾 信號等隨機量進行測量。2 測量電子元器件及網(wǎng)絡參數(shù)的儀器 元件（無源）-R、L、C、Y、Q 器件（有源）-半導體器件 網(wǎng)絡（有/無源）-傳輸特性

12、、頻率特性等 因此用數(shù)據(jù)域測試儀器測試數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時,除了輸入被測數(shù)據(jù)流外,還應輸入選通信號,以正確選通輸入數(shù)據(jù)流。而它的另一個特點是多通道輸入。1.2.3 電子測量儀器的主要技術指標1.精度:2.穩(wěn)定性:穩(wěn)定度也叫穩(wěn)定誤差,是指在規(guī)定的時間內(nèi),其它外界條件恒定不變的情況下,儀器示值變化的大小。原因主要是儀器內(nèi)部各元器件的特性不同,參數(shù)不穩(wěn)定和老化等因素。指測量儀器的讀數(shù)或測量結果與被測量真值相一致的程度。通常用穩(wěn)定度和影響量兩個參數(shù)來表征。由于電源電壓、頻率、環(huán)境溫度、濕度、氣壓、震動等外界條件變化而造成儀表示值的變化量,稱為影響量或影響誤差。靈敏度的另一種表示方式是分辨率或分辨力。定義為

13、測量儀表所能區(qū)分的被測量的最小變化量。它在數(shù)字儀表中經(jīng)常使用。4.線性度:5.動態(tài)特性:表示儀器的輸出量隨輸入量變化的規(guī)律。若儀表的輸出為y,輸入為x,兩者關系用函數(shù)y=f(x)表示。如果函數(shù)在xy平面上為經(jīng)過原點的直線,則稱為線性刻度特性,否則為非線性刻度特性。表示儀器的輸出響應隨輸入變化的能力。3.靈敏度:一般定義為測量儀表指示值增量y與被測量增量x之比。表示測量儀表對被測量變化的敏感程度。1.3 計量的基本概念 計量是保證量值統(tǒng)一和準確一致的一種測量。它有三個特征:統(tǒng)一性、準確性和法制性。其內(nèi)容包括計量單位及其基準、標準的建立、保存、傳遞、復制和使用,測量的方法和測量的準確度,計量器具及

14、管理和法制等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展、商品的交換,以及國際、國內(nèi)的交流,客觀上要求對同一量在不同的地方、用不同的測量手段測量時,所得的結果應該一致。因而出現(xiàn)了大家公認的統(tǒng)一的單位,以及體現(xiàn)這些單位的基準和標準及用這些基準和標準來校準的測量器具,還用法律形式將其固定下來,從而形成了與測量有聯(lián)系而又有區(qū)別于測量的新概念,即計量的概念。1.3.1 計量： -是通過實驗手段取得客觀事物定量信息（數(shù)據(jù)/單位）的過程，也就是利用實驗手段把待測量直接或間接與一個同類已知量進行比較，從而得到待測量值的過程。因此，在測量過程中作為比較標準（體現(xiàn)已知量）的各類量具、儀器儀表，必須定期進行檢驗和校準，以保證測量結果的準確性

15、、可靠性和統(tǒng)一性。計量：以上過程就稱為計量。測量（Measurement） 計量: “是利用技術和法制手段實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準確可靠的測量”。計量可以看做是測量的特殊形式,而計量又是測量的基礎和依據(jù)。1.3.2 單位制任何測量都是要有統(tǒng)一的體現(xiàn)計量單位的量作為標準,這樣的量稱做計量標準。計量單位是有明確定義和名稱并令其數(shù)值為1的固定的量。如米、厘米、公斤、秒、時等?？梢哉f沒有測量,就談不上計量;沒有計量,測量則失去價值。法定計量單位是國家以法令形式規(guī)定使用的計量單位,是統(tǒng)一計量單位制和單位量值的依據(jù)和基礎,因而具有統(tǒng)一性、權威性和法制性?；締挝皇悄切┛梢员舜霜毩⒌丶右砸?guī)定的物理量單位,共7個

16、,分別是長度單位米(m),時間單位秒(s),質(zhì)量單位千克(kg),電流單位安培(A),熱力學溫度單位開爾文(K),發(fā)光強度單位坎德拉(cd)和物質(zhì)的量單位摩爾(mol) 。由基本單位通過定義、定律及其他函數(shù)關系派生出來的單位稱為導出單位。如,力的單位牛頓(N)定義為“使質(zhì)量為1千克的物體產(chǎn)生加速度為1米每2次方秒的力”,即N=kgm/s2。在電學中除電流外,其他物理量的單位都是導出單位。例如在確定厘米、克、秒為基本單位后,速度單位為厘米每秒;密度單位為克立方厘米:力的單位為達因等構成一個體系,稱為厘米克秒制。由基本單位、輔助單位和導出單位構成的完整體系,稱為單位制。國際上把既可作為基本單位又可

17、作為導出單位的單位,單獨列為一類叫做輔助單位。有兩個輔助單位,分別是平面角的單位弧度(rad)和立體角的單位球面度(sr) 。計量-權威性的基準測量 統(tǒng)一性-單位，方法 準確性-建立基準、比對 法制性-政府、計量局 是指以當代最先進的科學技術和工藝水平,以最高的準確度和穩(wěn)定性建立起來的專門用以規(guī)定、保持和復現(xiàn)物理量計量單位的特殊量具或儀器裝置等。1.3.3 計量基準基準檢測-監(jiān)控性的測量（只要不超出允許的誤差范圍則認為合格） 1.主基準:2.副基準:3.工作基準:又稱原始基準,:是具有現(xiàn)代科學技術所能達到的最高準確度的計量器具,并經(jīng)國家鑒定批準,作為統(tǒng)一全國計量量具的最高依據(jù)。通過直接或間接與

18、國家基準比對并經(jīng)國家鑒定批準的計量器具。經(jīng)與主基準或副基準校準或比對,并經(jīng)國家鑒定批準,實際用以檢定下屬標準的計量器具。計量器具:計量標準器具:工作計量器具:1.3.4量值的傳遞與跟蹤、檢定與比對 復現(xiàn)量值或?qū)y量轉換成可直接觀測的指示值或等效信息的量具、儀器、裝置。準確度低于計量基準,用于檢定計量標準或工作計量器具的計量器具。它可按其準確度分類,如1級、2級、3級、4級、5級標準砝碼。指在工作崗位上使用的,不用于進行量值傳遞的,直接用來測量被測對象量值的計量器具。比對:在規(guī)定條件下,對相同準確度等級的同類基準、標準或工作計量器具之間的量值進行比較,其目的是考核量值的一致性。檢定:是用高一等級

19、準確度的計量器具與低一等級的計量器具進行比較,以達到全面評定被檢計量器具的計量性能是否合格的目的。校準:是指將被校的計量器具與高一等級的計量標準相比較,以確定被校計量器具的示值誤差(有時也包括確定被校器具的其他計量性能)的全部工作。量值的傳遞與跟蹤:是指把一個物理量單位通過各級基準、標準及相應的輔助手段準確地傳遞到日常工作中所使用的測量儀器、量器上,以保證量值統(tǒng)一的全過程。一級：主基準（國家級：中國計量研究院）二級：副基準（省、市級計量局）三級：工作基準（縣、市級計量局）實際應用儀表 量值溯源 量值傳遞國際計量局比對-同級儀表比較一致性。校準-高級儀表校準低級儀表。檢定-法定計量部門評定低一等級儀表是否合格。1.4 電子測量儀器的發(fā)展 1 模擬儀器 2.數(shù)字化儀器 指針式三用表 示波器 數(shù)碼顯示儀表 軟硬兼施 多功能 高精度自動化 改進方向 特點 全由硬件組成 功能單一固定 精度較低 人工操作 現(xiàn)代儀器 智能化 模塊化 虛擬化網(wǎng)絡化 發(fā)展方向 性能優(yōu)異功能多 儀器與計算機融合 硬件與軟件結合 特點 智能儀器 程控儀器-自動測試系統(tǒng)虛擬儀器 主要形式3.智能儀器 (計算機嵌入儀器)通常人們把內(nèi)含微處理器和GPIB接口的儀器稱為智能儀器。測試模塊或信